基于物联网数控的机械机电自动化控制系统设计.pdf

装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料64摘要：机械机电自动化控制系统的运行水平，决定了当前机械生产的质量和效率，而创新机械机电自动化控制系统设计成为推动行业发展的关键举措。对此，文章分析了基于物联网数控的机械机电自动化控制系统的设计可行性，并从框架设计、硬件设计和软件设计三个方面出发，探讨了系统设计的具体路径。关键词：物联网数控；机械机电；自动化控制系统分类号：TH-39；TP273随着物联网技术的不断发展，机械机电自动化控制系统在工业领域得到了广泛应用。然而，目前的系统在应对复杂环境和实时性要求方面仍存在一些问题，许多传统的自动化控制系统难以有效地应对工业生产中的复杂环境。对此，需要通过分析现有系统的优点和局限性，更好地了解当前的技术水平，并基于物联网数控技术，实现机械机电自动化控制系统设计，通过引入先进的技术和创新的方法，提高系统的性能和稳定性1。1 基于物联网数控的机械机电自动化控制系统设计可行性为了明确基于物联网数控的机械机电自动化控制系统设计是否可行，需要全面考虑技术成熟度、实时性、稳定性、安全性以及经济成本等多方面因素，只有在这些方面都符合要求，才能确保设计的可行性。物联网技术可以实现对机械机电设备的实时监控，传感器和设备之间的即时通信使系统能够迅速捕捉到工作状态的变化，并及时进行调整和反馈，这有助于提高系统的实时性和响应速度。机械机电自动化控制系统运行效率对比如表 1 所示，使用物联网数控技术为核心的自动化控制系统能够同时串联三种不同的硬件系统，将收集的指令进行信息交换并得出相应的制造程序，其生产效率数据优于常规的自动化控制系统和人工控制系统。正因如此，物联网数控在机械机电自动化控制系统中的应用具有显著的可行性。表 1 机械机电自动化控制系统运行效率对比 单位：t/h系统项目制造效率工作量物联网数控系统96%5.7人工控制系统72%4.0常规自动化控制系统81%4.7物联网技术能够收集大量的运行数据，这些数据可以用于深度分析和优化系统性能。通过对数据的挖掘，操作者可以识别潜在的问题、预测设备的维护需求，并提供改进建议，从而实现更高效的生产和资源利用，如通过互联网远程监视、调整和优化系统运行，有助于实现远程维护和管理2。2 机械机电自动化控制系统的框架设计2.1 现场设备结构物联网数控在机械机电自动化控制系统中的应用，使系统的数据驱动能力、监控能力等得到显著提升，而基于物联网数控的机械机电自动化控制系统的现场设备结构框架设计需要遵循高容错性原则，才能发挥出物联网数控技术的核心优势，使整个控制系统的控制效率大幅提高。例如，设计者可以考虑将整个系统划分为各个模块，每个模块负责特定的功能，这样的设计使系统更易于维护、升级和扩展。同时，保持每个机床的控制模块都可以独立进行版本控制，使系统的升级和维护变得更加可控。2.2 网络通信与数据传递结构网络通信与数据传递结构在物联网系统设计中起着至关重要的作用，而以太网网关和物联网服务器作为其中的两个关键组件，它们协同工作以实现设备之间的通信和数据传递。因此，物联网数控下的机械机电自动化控制系统设计需要重点关注两个组件的设计基于物联网数控的机械机电自动化控制系统设计杨 飞，李 娟炎黄职业技术学院，江苏 淮安 223400文章编号：2096-3092（2024）02-0064-03作者简介：杨飞，男，本科，工程师，研究方向为机械制造及自动化；李娟，女，本科，助教，研究方向为计算机编程。造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月造纸装备及材料 第 53 卷 总第 227 期 2024 年 2 月 装备及自动化装备及自动化65与搭配。在以太网网关的设计上，设计者可以考虑将以太网网关负责将不同设备使用的通信协议转换为统一的以太网协议，以实现设备之间的互操作性。而在考虑协议兼容性上，设计过程中需要设计者确保以太网网关支持不同协议，以实现与各种设备的通信，比如通过增设协议端口，确保网关能够与如 MQTT、CoAP、HTTP 等多种通信协议兼容，以适应不同设备的接入3。在物联网服务器设计上，需要确保物联网服务器能够接收和解析来自各种设备的数据，还要具备实时处理能力，快速响应设备发送的数据。因此，设计者需要根据实际情况，设计并制定标准数据格式，包括JSON、XML 等，以便各种设备能够向服务器发送统一格式的数据。2.3 子结构框架子结构将整个系统划分为独立的模块，每个模块负责特定的功能，为系统整体提供了结构化的组织和管理方式，因此子结构框架对机械机电自动化控制系统有着重要的作用。在子结构框架的设计中，设计者需要遵循模块化的设计理念，使各项系统结构更容易集成到整个控制系统中。例如，设计者可以将子结构框架分为交换系统、监控系统与数据库。其中，交换中心的消息队列系统可以使用 RabbitMQ 或 Kafka 等队列系统，以实现交换中心对设备和服务之间的异步通信，帮助平滑处理数据流，提高系统的实时性和可伸缩性。而监控中心在系统中具备实现对物联网系统的实时监控功能，包括设备状态、数据流量、响应时间等，以方便操作人员迅速了解系统运行情况。因此，该系统的设计需要考虑使用 InfluxDB、OpenTSDB 等时序数据库，以帮助系统在运行期间通过记录系统的运行日志追踪问题、分析系统性能，并在需要时进行故障排查4。3 基于物联网数控的机械机电自动化控制系统硬件设计3.1 传感器装置设计在基于物联网数控的机械机电自动化控制系统中，传感器硬件的设计需要涉及多个工作要点，包括传感器选择、电路设计、信号处理、供电和通信接口等，综合考虑这些要点，可以确保传感器硬件在机械机电自动化控制系统中可靠、高效地工作。在传感器选择和布局上，设计中需要根据系统需求选择适当类型的传感器，如温度传感器、压力传感器、位置传感器等，并合理布局传感器位置，确保能够准确捕捉所需的物理量。设计中还需考虑传感器通信协议的选择，以确保能够与物联网平台进行有效的数据交换。例如，MQTT是一种轻量级、开放式、灵活的消息传递协议，适用于低带宽、高延迟或不稳定网络环境。在物联网数控系统中使用 MQTT，需要设计者在传感器上实现 MQTT客户端的交互连接，并使用专门为嵌入式设备设计的MQTT 客户端库，这样传感器才可以连接到 MQTT 代理并发布、订阅消息5。3.2 数据通信与执行模块设计数据通信与执行模块的设计包括通信协议选择、网络拓扑设计、执行器接口硬件设计等多个步骤，为了在物联网数控下的机械机电自动化控制系统中确保传感器、执行器以及其他系统组件之间能够顺利协同工作，设计者需要关注并解决数据通信与执行模块的设计问题。在通信接口设计中，接口需要支持选定的通信协议，其中需要选择合适的定义物理接口，提高二者的适配度。例如，选取 RS232 作为接口，确保选型符合系统需求、通信距离和数据速率等要求，并确定RS232 的电压级别、数据位数、停止位数和校验方式等通信的电气特性，再通过设置 8N1 的数据格式，保障接口正常运行。在网络拓扑设计中，数据通信与执行模块的物联网网络拓扑，需要考虑各个模块的位置和通信路径，以最大程度缩短通信延迟和提高稳定性。例如，假设有机床设施需要设计执行模块，执行器模块负责控制空调，物联网网关位于设备每层结构的控制中心，负责聚合每个节点的进度数据，并将控制命令传递给相应楼层的执行器模块，而网络拓扑设计需要实现局域网和云连接的划分，通过设计通信路径，考虑数据从传感器到物联网网关的路径，以及从物联网网关到执行器的路径，这样能够同时满足实时通信和远程监控的需求6。3.3 嵌入式监控装置设计嵌入式监控装置能够在物联网数控环境下稳定运行，实现对机械机电自动化控制系统的有效监控和管理，在设计过程中，设计者需要考虑其各个组件的搭配与选用。在嵌入式平台的设计上，设计过程中需要根据监 装备及自动化 装备及自动化 2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料2024 年 第 2 期 总第 227 期 造纸装备及材料66控装置的需求和性能要求选择合适的嵌入式平台。例如，基于 Raspberry Pi 的嵌入式系统设计处理性能、功耗、尺寸等参数，处理器选择 Quad-coreCortex-A72(ARMv8)64-bitSoC，增设 VideoCore VI GPU 图形处理器，保障其典型功耗在 2.7 7.0 W，设计这样一种在物联网数控环境下性能稳定、功耗适中、紧凑实用的嵌入式监控装置，优化控制系统效果。在接口的设计上，设计嵌入式监控装置的接口，包括传感器接口、通信接口（如 UART、I2C、SPI）、扩展接口等，并配以详细的设计参数，以通信接口的设计为例，设计中可以通过 GPIO 引脚实现设计，以便于提供额外的通用数字输入/输出接口，用于连接更多的数字设备，确保满足不同传感器和通信设备的接入要求。3.4 人机界面设计人机界面（HMI）的设计要求是确保在物联网数控下的机械机电自动化控制系统中实现稳定、高效的用户交互。在设计中，注重设计的实用化是设计者需要关注的重点，如：物联网数控下的机械机电自动化控制系统的人机界面 HMI 硬件设计需要考虑多项关键参数，其显示屏需要采用了 7 寸或 10 寸以上的触摸屏TFT-LCD，具备高分辨率，以确保清晰的图像显示；处理器需要选择高性能的嵌入式处理器，如 ARM Cor-tex 系列，搭配至少 1 GB RAM 的内存，确保流畅的用户界面和多任务处理；在存储方面，内部存储可以采用 Flash，通常为 8 GB 或 16 GB 内存，同时提供 Micro SD 卡插槽或 USB 接口以扩展存储容量；通信接口应当实现以太网接口的连接，支持有线网络连接，Wi-Fi和蓝牙用于无线连接，串口用于连接其他控制设备。这些参数的整合旨在确保人机界面设计在实际应用中能够稳定、可靠地满足系统的控制和监控需求7。4 基于物联网数控的机械机电自动化控制系统软件设计4.1 程序控制软件设计基于物联网数控的机械机电自动化控制系统软件的设计目的在于实现高效、智能、可靠的控制和检测功能，以提高生产效率、降低成本，并确保系统的稳定性和安全性。以基于可编程逻辑控制器（PLC）程序的程序控制软件设计为例，在基于 PLC 的程序控制软件设计中，关键的设计参数涵盖程序设计界面、逻辑控制和编程语言等多个方面。在程序设计界面上，PLC支持多种编程语言，如 ladder diagram、Structured Text等，以适应不同用户的需求。4.2 数据存储软件设计数据存储软件设计涉及有效地管理、存储和检索数据，基于关系型数据库 SQL 则适用于物联网数控下的机械机电自动化控制系统软件设计，其间需要设计者完善数据库系统、范式化以及索引设计。具体的设计流程如下：首先，设计者需要进行需求分析，明确系统功能需求和数据存储需求，进而定义清晰的数据模型，选择合适的数据库系统，如 MyS-QL、PostgreSQL 或 Microsoft SQL Server 等，并设计数据库结构，包括实体和关系、属性、主键和外键，经过规范化以提高数据的一致性和有效性。其次，在设计中设计者需要考虑索引、存储过程和触发器，以优化数据检索和处理复杂逻辑，并着重实施安全性策略，包括身份验证、授权、加密和审计，确保数据的安全性和隐私。引入事务管理以保障数据的一致性和完整性，并设计数据库访问接口，兼顾使用 ORM 工具简化操作。最后，设计者要在测试和优化阶段进行单元测试、性能测试，并定期检测数据库性能。5 结束语实时数据采集和分析使系统能够更加灵活地应对复杂的工业环境，实现了生产过程的更精细化控制，同时引入智能算法和学习机制使系统具备了自适应性，能够适应不同的工作场景，提高了系统的稳定性和可靠性。因此，基于物联网数控的机械机电自动化控制系统的设计具有显著的可行性。参考文献1 王博.基于性能退化的复杂机电系统可靠性评估D.成都:电子科技大学,2023.2 尹成钫.基于SysML的机电系统设计与仿真同步集成方法D.杭州:杭州电子科技大学,2023.3 郭维,孟洁.PLC技术在机电自动化控制中的应用J.造纸装备及材料,2023,52(4):136-138.4 张宏斌,徐京明,吴志东,等.机电设备振动测试系统设计J.机械设计与制造,2023(3):297-300,304.5 任立民,薛晓,陈华敏.基于物联网的煤矿井下机电设备安全监测系统设计J.煤炭技术,2021,40(10):166-168.6 吕石磊,曹其新,李想,等.机电一体化机器人关节及其驱控系统硬件设计J.重庆邮电大学学报(自然科学版),2021,33(1):111-117.7 朱文琦,邰鑫.基于物联网数控的机械机电自动化控制系统设计J.制造业自动化,2020,42(10):141-145.